铝离子电池(AIBs)因铝金属储量丰富、成本低廉且具有极高的理论体积比容量(8046 mAh cm−3)和质量比容量(2981 mAh g−1)，被认为在大规模储能领域具有应用潜力。然而，纯铝负极面临着极其严峻的挑战：一方面，天然钝化层中存在的缺陷会导致局部电荷分布不均，进而引发不均匀的离子通量和严重的枝晶生长；另一方面，沉积的铝金属颗粒间形成的电子渗流网络非常脆弱，且与基体之间缺乏强机械结合力，导致在循环过程中极易发生结构坍塌和剥落，产生大量“死铝”，严重阻碍了铝离子电池的长期循环稳定性。
近日，西安交通大学材料学院金属材料强度全国重点实验室微纳中心薛伟江与金属基复合材料全国重点实验室、上海交通大学材料学院张荻院士团队李尧、韩雪、谭占秋联合在国际著名能源材料杂志《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)上发表题为“一种仿生构型的碳纳米管增强铝离子电池负极”(A Bioinspired CNTs-Enhanced Anode for Ultra-Stable Aluminum-Ion Batteries)的研究成果。该研究借助仿生构型设计，打破了铝金属极片界电化学与机械稳定性难以兼顾的僵局，提出了一种通过3D碳纳米管网络“自适应”调节电极界面的新思路。
研究团队受到“海葵触手弥散神经网络”的构型启发，设计了基于微纳铝片与羧基化碳纳米管(CNTs)的复合负极。通过在铝基体内引入兼具高导电与超高力学强度的三维连续CNTs电子渗流网络，该电极打破了本征氧化铝钝化层的传质阻碍，使形核过电位大幅下降50%。特别是在铝剥离过程中，深植于基体内部的CNTs得以原位暴露，构建出自适应的动态CNT调控界面相，引导后续铝离子实现均匀的无枝晶沉积。此外，凭借CNTs网络的强韧机械互锁与内部锚定作用，抑制了长循环中负极粉化坍塌与“死铝”累积的难题。该Al@CNT复合电极展现出了优异的电化学性能。在3 mA cm−2电流密度和3 mAh cm−2面积容量的苛刻极限条件下，Al@CNT对称电池能够稳定运行超过1800小时且保持低极化，而对比组的纯铝对称电池仅在170小时内即发生短路失效。此外，当与人造石墨(AG)正极配对组装为全电池时，该系统在5 A g−1的高倍率下循环高达45,000次后，容量保持率依然超过80%。
论文第一作者为博士生胡永胜，通讯作者为李尧、韩雪、谭占秋和薛伟江。本项研究得到了西安交通大学国家储能技术产教融合创新平台(中心)在表征方面的支持。
薛伟江，西安交通大学教授、博导，长期从事新型电解质分子设计与金属负极研究，以第一/通讯作者在Nature Energy、Nature Communications，Advanced Materials、Angewandte Chemie、Energy & Environmental Science、Advanced Energy Materials等国际著名期刊发表论文50余篇，连续入选斯坦福–爱思维尔全球前2%顶尖科学家。主持自然科学基金面上项目、多项重要企业合作研发项目，并作为合作单位负责人承担国家重点研发计划青年科学家项目。担任Nature、Nature Sustainability、Nature Communications、Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie、Energy & Environmental Science等40多种化学、能源、材料领域著名期刊审稿人和仲裁审稿人。
